BADANIA ODPORNOŚCI BALISTYCZNEJ STOPU AlZn5Mg2CrZr

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ
ROK XLVI NR 1 (160) 2005
Wojciech Jurczak
BADANIA ODPORNOŚCI BALISTYCZNEJ
STOPU AlZn5Mg2CrZr
PRZEZNACZONEGO DO BUDOWY OKRĘTÓW
STRESZCZENIE
W artykule zaprezentowano wyniki pomiarów przeprowadzonych przy strzelaniu pociskiem kalibru 7,62 mm do próbek o średnicy 50 mm i grubości 12 mm oraz próbek dwuwarstwowych o grubości 2x6 mm wykonanych ze stopu AlZn5Mg2CrZr na specjalistycznym stanowisku
badawczym.
WSTĘP
Dobór materiału do budowy konstrukcji okrętów wymaga od konstruktora
przeanalizowania wielu czynników, m.in. natury technicznej i ekonomicznej (rys. 1.).
Obecnie w okrętownictwie stosuje się stale kadłubowe, s t o p y a l u m i n i u m
i materiały kompozytowe. Problemem pozostaje właściwy dobór tych materiałów do
budowy poszczególnych elementów konstrukcji jednostki pływającej dla zapewnienia bezpiecznej jej eksploatacji.
Rys. 1. Kryteria doboru materiału konstrukcyjnego na kadłuby okrętowe [7]
5
Wojciech Jurczak
Doboru materiału do budowy konstrukcji okrętowych ze względu na ich
właściwości dokonuje praktycznie konstruktor, który przeprowadza analizy celowości stosowania materiału na podstawie przepisów towarzystwa klasyfikacyjnego
i żądań armatora w pewnym stopniu determinujących zastosowanie tych materiałów
przez wymagania np. sztywności wiązań kadłuba [8].
Do budowy okrętów stosowane są zwykle stale kadłubowe i austenityczne
(amagnetyczne) wysokowytrzymałe stale oraz materiały kompozytowe. Materiały te
wykazują szczególnie dużą odporność na pękanie i przebijanie przez pociski oraz
odłamki bojowe o zróżnicowanym kształcie, prędkościach i skutkach uderzenia.
Współczesna ekonomia transportu morskiego i wymogi budowy okrętów wymuszają
stosowanie materiałów o wysokim współczynniku Rm/ρ wytrzymałości względnej,
by uzyskiwać duże prędkości pływania przy stosunkowo dużej wytrzymałości konstrukcji. Takie wymagania spełniają stopy aluminium, szczególnie stop, który poddany został badaniom balistycznym. Kadłuby szybkich okrętów często budowane są
ze stopów serii 5000 – h y d r o n a l i ó w , przy czym własności nowoczesnych stopów Al-Mg-Mn zależą od zawartości magnezu, która sukcesywnie wzrasta i sięga już
6, a nawet 9%. Zapewnienie niezbędnej odporności na korozję uzyskuje się obecnie
poprzez nowoczesną obróbkę cieplno-mechaniczną lub zastosowanie zgniotu na
zimno i wyżarzania stabilizującego. W efekcie własności użytkowe hydronaliów
wynoszą: R0,2 = 175 – 275 [MPa], Rm. = 290 – 425 [MPa],A5 = 23 – 12 [%].
K o n s t r u k t a l e (do których zaliczamy badany stop) typu Al-Zn-Mg (serii
7000) są z kolei obrabiane cieplnie. Wykazują one podatność do samoumocnienia
po spawaniu i są stosowane w budowie okrętów. Własności użytkowe tej grupy
wieloskładnikowych stopów to: R0,2 = 250 – 450 [MPa], Rm. = 325 – 550 [MPa],
A5 = 15 – 8 [%]. Coraz częściej do budowy całych jednostek wykorzystuje się stopy
aluminium, są to jednostki małej i średniej wielkości, natomiast na dużych jednostkach ze stopów aluminium wykonuje się nadbudówki, pokładówki, wzmocnienia
poszycia kadłuba itp. Zasadniczą wadą stopów aluminium w kontekście wykorzystania militarnego jest znikoma odporność udarowa i balistyczna. Mają jednak wiele
zalet. Stopy aluminium w odróżnieniu od stali kadłubowych są lżejsze i charakteryzują się tym, że ich plastyczność i udarność nieco wzrasta z obniżeniem temperatury. Nie istnieje zatem problem kruchości kadłubów okrętów budowanych ze stopów
aluminium w obniżonych temperaturach. Stopy aluminium charakteryzują się bardzo małą przenikalnością magnetyczną. Ich zastosowanie jako materiału konstrukcyjnego paramagnetycznego jest celowe w budowie okrętów do wyposażenia
okrętowego oraz na nadbudówki.
Projektując kadłub okrętu, należy uwzględnić również możliwość jego
uszkodzeń wskutek obciążeń dynamicznych, występujących przy dużych prędkościach odkształceń spowodowanych zwłaszcza wybuchami niekontaktowymi bądź
ostrzałem artyleryjskim. Problematykę wytrzymałości dynamicznej materiałów na
6
Zeszyty Naukowe AMW
Badania odporności balistycznej stopu AlZn5Mg2CrZr...
kadłuby opisano w [1, 5]. Biorąc pod uwagę obciążenia dynamiczne, którym
podlegają kadłuby okrętów, należy przy doborze materiałów konstrukcyjnych
uwzględniać ich dynamiczne (udarowe) właściwości mechaniczne. Ponadto w uzasadnionych okolicznościach trzeba uwzględnić wymagania odpowiedniej wytrzymałości na zmęczenie, wytrzymałości zmęczeniowo-korozyjnej, wymagania małej
przenikalności magnetycznej, odpowiedniej odporności balistycznej, odporności na
oddziaływanie podwyższonych temperatur, gęstość.
Jak już wspomniano, przy projektowaniu lekkich konstrukcji istotny jest
stosunek wytrzymałości do gęstości ρ [9]. Na rysunkach 2. i 3. pokazano zależności
umożliwiające dobór materiałów na konstrukcje okrętowe o minimalnej masie
i minimalnym odkształceniu plastycznym (rys. 2.) lub na konstrukcje okrętowe
o minimalnej masie i ograniczonym odkształceniu (rys. 3.).
Rys. 2. Wytrzymałość σf w zestawieniu z gęstością ρ kompozytów. Linie przewodnie
odpowiadają stałej wartości wskaźników σf/σf 2/3/σf1/2/σ materiałów na konstrukcje
o minimalnej masie i minimalnym odkształceniu plastycznym [9]
1 (160) 2005
7
Wojciech Jurczak
Rys. 3. Moduł Younga E w zestawieniu z gęstością ρ rodzajów materiałów. Linie ukośne
łączą materiały, w których prędkość rozchodzenia się fali podłużnej jest jednakowa. Linie
przewodnie odpowiadają stałej wartości wskaźników E/ρ1/2/ρ1/3/ρ materiałów
na konstrukcje o minimalnej masie i ograniczonym odkształceniu [9]
Jak wykazano w [3], istnieje możliwość zwiększenia udarności stopów aluminium w przypadkach, gdy wykonane z nich fragmenty konstrukcji mogą stanowić
elementy złożone z dwóch lub z większej liczby cieńszych warstw. Np. porównując
wyniki badań na młocie Charpy’ego próbek ze stopu AlZn5Mg2CrZr o grubości
10 mm z karbem w postaci znormalizowanego rowka i próbek luźno złożonych
z dwóch cieńszych płytek o łącznej grubości 10 mm i z takim samym karbem na
dolnej płytce, stwierdzono wzrost udarności tych ostatnich o ponad 300%. Jest to
spowodowane następującymi czynnikami [8]:
−
−
−
−
zwiększeniem objętości materiału, który doznaje odkształcenia plastycznego;
ekranującym działaniem szczeliny na styku obu części, uniemożliwiającym
rozwój poprzecznego pęknięcia;
tłumieniem sprężystej fali przy przekazywaniu impulsu uderzenia od części
uderzanej do części następnej;
tarciem na powierzchni styku poszczególnych części próbki;
zwiększeniem powierzchni próbki.
8
Zeszyty Naukowe AMW
−
Badania odporności balistycznej stopu AlZn5Mg2CrZr...
OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO
Badania przeprowadzono na stanowisku (rys. 5. i 6.) składającym się z wahadła balistycznego 6 i dodatkowego wyposażenia w postaci dwóch zestawów ramek 3
do mocowania wymienianych po każdym strzale czujników piezoceramicznych 2,
osadzonej w wahadle tulei 5 z tensometrycznym miernikiem siły i wskaźnika 7 do
pomiaru kąta wychylenia wahadła. Pocisk 1 po przejściu przez pierwszy zestaw
dwóch ramek uderza w próbkę 4 i po jej przestrzeleniu oddziałuje na kolejne dwa
czujniki piezoceramiczne. Impuls z pierwszego czujnika wyzwala w oscyloskopie 9
licznik czasu, który rejestruje moment uderzenia pocisku w drugi czujnik. Pozwala
to wyznaczyć prędkość pocisku przed próbką. Prędkość pocisku za próbką wyznacza się za pomocą drugiego zestawu ramek z czujnikami i oscyloskopu 10. Próbka
ma średnicę 50 mm i grubość 12 mm lub 2x6 mm. Jest oparta na tulei 5 i dociśnięta
nakrętką dociskową. Dla zapewnienia większej globalnej podatności próbki docisk
jest na tyle lekki, że przy przestrzeliwaniu próbki możliwe jest przemieszczanie się
jej brzegów względem nakrętki i tulei oraz obu jej warstw względem siebie. Badań
na temat wpływu sztywnego zamocowania próbki w tulei nie prowadzono.
MATERIAŁ ZASTOSOWANY DO BADAŃ
Obszerne informacje o technologii wytwórstwa i właściwości badanego stopu
podano w [6]. Poniżej zestawiono jego podstawowe parametry i skład chemiczny.
Tabela 1. Parametry warstw ze stopu AlZn5Mg2CrZr
Grubość
[mm]
6
12
Dane z atestu
Granica
Wytrzymałość na
plastyczności R0.2
rozrywanie Rm
[MPa]
[MPa]
415
367
423
378
Grubość
[mm]
6.32
11.75
Wartości pomierzone
Twardość
Gęstość
KCV10
[g/cm3]
93.5
122.5
2.76
2.73
Tabela 2. Skład chemiczny blach ze stopów AlZn5MgCrZr tb
(spr. IMN-OML nr 4550/91,336 OML/91)
Nr
stopu
Zn
Mg
Cr
Skład chemiczny [%] AlZn5MgCrZr
Zr
Ti
Fe
Si
Cu
Mn
Ni
Al
Nr
partii
i atestu
1086
1085
507 5.13 1.9
0.16 0.15 0.071 0.27 0.15 0.08 0.057 0.006 reszta
635 4.81 1.9
0.17 0.12 0.016 0.31 0.21 0.09 0.06 0.006 reszta
tb; przesycenie – nagrzewanie do 480 °C przez 50 min, studzenie gorącą wodą min. 70 °C,
naturalne starzenie 0 – 4 dni 20 °C, dwustopniowe sztuczne starzenie 95 °C/8h+150 °C/8h
1 (160) 2005
9
Wojciech Jurczak
PRÓBKI DO BADAŃ BALISTYCZNYCH
Oprócz próbek 2-warstwowych o luźnym styku badano także próbki sklejone klejem na bazie żywicy „Polimal 109” (Polimal 109 – 97%, przyspieszacz: naftanian kobaltu – 0,02%, utwardzacz: Luperkos GZS – 3%), a także próbki podparte
elastycznie na podkładce pierścieniowej φ 50 / φ 36 z miękkiej gumy (15o – 18oShA)
o grubości 5 mm. Odstęp między przestrzeliwanymi próbkami stanowił pierścień
dystansowy o długości 6 i 12 mm. Podstawowe dane materiałów próbek podano
w tabelach 1. i 2. Strzelano nabojem ŁPS kalibru 7,62 mm z rdzeniem stalowym
pociskiem o masie 9,5 g ze sztucera typu OWGS z celownikiem optycznym. Próbki
przedstawiono na rysunku 4.
sklejone lub nie
1
2
typ
1
1,2 stop AlZn5Mg2CrZr
lub
0
φ5
12
6 6
1
2
0
φ5
φ32
typ 2
(niesklejone)
pierścień dystansowy
bez wypełnienia
6
6
6 lub 12
5
pocisk
0
φ5
φ36
typ
3
próbka
podkładka pierścieniowa
z gumy
Rys. 4. Próbki do badań balistycznych
10
Zeszyty Naukowe AMW
1
2
1 (160) 2005
3
2
Pomiar v 0
3
8
5
11
Pomiar ϕ
2
6
7
3
10
2
3
Pomiar v k
Δt - czas przebycia przez pocisk drogi
między dwoma pierwszymi czujnikami
v 0 ,vk - prędkość pocisku przed i za próbką
1 - pocisk
2 - czujnik piezoceramiczny
3 - ramka do mocowania folii
z naklejonym czujnikiem
4 - przestrzeliwana próbka
5 - tuleja z tensometrycznym
przetwornikiem siły w tulei F(t)
6 - wahadło balistyczne
7 - wskaźnik kąta wychylenia wahadła ϕ
8 - wzmacniacz
9 - oscyloskop cyfrowy Lecroy LS-104
z rejestratorem F(t) i Δt
10 - oscysloskop cyfrowy TDS 210
11 - komputer PC
Rys. 5. Schemat stanowiska balistycznego z aparaturą kontrolno-pomiarową
9
4
Pomiar F(t)
Badania odporności balistycznej stopu AlZn5Mg2CrZr...
11
Rys. 6. Elementy składowe wahadła balistycznego z oprzyrządowaniem
Wojciech Jurczak
12
Zeszyty Naukowe AMW
Badania odporności balistycznej stopu AlZn5Mg2CrZr...
WYNIKI BADAŃ
Maksymalne wartości sił ściskających i rozciągających w tulei (kolumny 7.
i 8.) odczytywano na ekranie oscyloskopu i na oscylogramach. Przykładowe przebiegi podano w załączeniu. Jak zaznaczono na oscylogramie 2.2, oprócz przebiegu
siły w tulei w czasie zawierają one także informacje o odstępie czasu Δt niezbędnym
do przebycia przez pocisk odległości 100 mm pomiędzy dwoma pierwszymi czujnikami piezoceramicznymi.
Maksymalny kąt ϕ wychylenia wahadła odczytywano z dokładnością
± (0,1 – 0,2 °). W przypadku nieprzebicia próbki całkowita energia kinetyczna pocisku była absorbowana przez próbkę i wahadło, które wychyliło się do położenia
kątowego ϕmax = 9o.
Energia przekazywana wahadłu przez pocisk w czasie przestrzeliwania
próbki jest równa energii potencjalnej wahadła w najwyższym jego położeniu:
E pot = mgl (1 − cos ϕ ) ,
gdzie: m – masa wahadła;
g – przyspieszenie ziemskie;
l – odległość środka masy wahadła od osi obrotu;
ϕ – maksymalny kat wychylenia wahadła.
Jako efektywność względną poszczególnych próbek przyjęto wyrażenie
1 − cosϕ
sin 2 0,5ϕ
⋅
100
%
=
⋅100% ,
1 − cos1,15 0
sin 2 0,5⋅ 1,15 0
έ=
gdzie 1,15 ° jest średnim kątem maksymalnego wychylenia wahadła przy przestrzeliwaniu próbek aluminiowych (serie: 2., 6., 10., 15., 27., 36., 38.).
Ze względu na stwierdzone małe kąty ϕ (kolumna 6.), w kolumnie 9. podano wartości (ϕ/1,15)2⋅100%.
Rezultaty pomiarów zestawiono w tabeli 3. w kolumnach 4 – 8. Jak wynika
z kolumny 4., rozrzut prędkości początkowej pocisków był w granicach 715 – 820 m/s.
Puste miejsca w kolumnie 5. dotyczą przypadków, gdy obraz na ekranie oscyloskopu
nie był jednoznaczny, a wybór impulsów oznaczających uderzenia pocisku w kolejne czujniki piezoceramiczne utrudniony. Może to być spowodowane pobudzeniem
czujnika przez odłamki, gazy lub wstrząsy przenoszone drogą strukturalną od próbek.
Porównanie odporności balistycznej badanych próbek i analogicznych próbek ze stali okrętowej przedstawiono w pracy [4].
1 (160) 2005
13
14
Tabela 3. Wyniki badań balistycznych
Tabela 3. Wyniki badań balistycznych
Wojciech Jurczak
Zeszyty Naukowe AMW
Badania odporności balistycznej stopu AlZn5Mg2CrZr...
1 (160) 2005
15
Oznaczenia:
(Fs)max
(Fr)max
T
G
Al.
( )*
– maksymalna siła ściskająca
– maksymalna siła rozciągająca
– pierścień dystansowy
– podkładka pierścieniowa gumowa
– stop AlZn5Mg2CrZr
– załączono wydruk przebiegu siły w tulei
Wojciech Jurczak
16
Zeszyty Naukowe AMW
Badania odporności balistycznej stopu AlZn5Mg2CrZr...
1 (160) 2005
17
Wojciech Jurczak
18
Zeszyty Naukowe AMW
Badania odporności balistycznej stopu AlZn5Mg2CrZr...
WNIOSKI
1. Próbki 2-warstwowe (sklejone i niesklejone) ze stopu AlZn5Mg2CrZr mają
lepszą odporność balistyczną niż 1-warstwowe: wykazują większą maksymalną
siłę w tulei (tzn. stawiają pociskowi większy opór) i powodują większe wychylenie wahadła balistycznego (tzn. absorbują większą porcję energii pocisku).
Ten efekt częściowo można tłumaczyć mniejszą gęstością badanego stopu aluminium, dzięki czemu udział oporu inercyjnego w całkowitym oporze próbki
przy jej przestrzeliwaniu jest znacznie mniejszy niż np. dla stali.
2. Próbki ze stopu AlZn5Mg2CrZr sklejone stawiają pociskowi nieco większy
opór niż niesklejone (luźne).
3. Zastosowanie tulei dystansowej (6 i 12 mm) powoduje, że próbki te stawiają
mniejszy opór pociskowi (maksymalna siła ściskająca w tulei jest mniejsza)
w porównaniu z próbkami bez szczeliny, co zmniejsza odporność balistyczną
stopu AlZn5Mg2CrZr (serie 10., 15., 27.).
4. Próbki z podkładką gumową wykazują nieco gorsze własności balistyczne niż
analogiczne próbki bez podkładek. Usytuowanie podkładki (przed lub między
dzielonymi próbkami) nie ma wpływu na własności balistyczne, a różnice
w efektywności między seriami 36. i 38. wynikają z wniosku 1.
BIBLIOGRAFIA
[1]
Almohandes A. A., Abdel-Kader M. S., Eleiche A. M., Experimental investigation of the ballistic resistance of steel-fiberglass reinforced polyester laminated plates, „Composites”, 1996, Part B, 27B.
[2]
Cudny K, Puchaczewski N., Stale i stopy aluminium na konstrukcje morskie,
Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1998.
[3]
Dobrociński S., Jurczak W., Kolenda J., Badania odporności udarowej dwuwarstwowych próbek ze stopu AlZn5Mg2CrZr, „Zeszyty Naukowe” AMW,
2000, nr 2, Gdynia 2000.
[4]
Dobrociński S., Jurczak W., Kolenda J., Porównawcze badania odporności
balistycznej jedno- i dwuwarstwowych próbek ze stopu AlZn5Mg2CrZr i stali
kadłubowej kategorii A, „Zeszyty Naukowe” AMW, 2001, nr 2, Gdynia
2001.
1 (160) 2005
19
Wojciech Jurczak
[5]
Gooch W. A., Filbey G. L., Senf H., Weidemaier P., Rothenhäusler H., Ballistic resistance of laminated steel targets experiments and numerical calculations, Proc. of 14th Int. Symp. Ballistics ’93, 26 – 29 Sept. 1993, Vol. 2,
Québec 1993.
[6]
Jurczak W., The influence of chemical composition and heat treatment on the
mechanical properties and resistance to stress corrosion of sheets made of
Al-Zn-Mg alloys, „Marine Technology Transactions”, 1999, Vol. 10.
[7]
Michael F. Ashby, David R. H. Jones., Materiały inżynierskie. Kształtowanie
struktury i właściwości, dobór materiałów, cz. II, WNT, Warszawa 1996.
[8]
Pogodin-Aleksiejew G. I., Wytrzymałość dynamiczna i kruchość metali,
WNT, Warszawa 1969.
[9]
Przybyłowicz J., Materiałoznawstwo w pytaniach i odpowiedziach, WNT,
Warszawa 2000.
ABSTRACT
The paper presents the results of measurements carried out with φ 50 mm specimens of
12 mm and 2x6 mm width, made of the AlZn5Mg2CrZr alloy, when hit by bullets of 7.62 mm caliber. It has been found that the ballistic resistance of the bi-layer alloy specimens is higher than
that of a single-layer alloy specimens.
Recenzent prof. dr hab. inż. Janusz Kolenda
20
Zeszyty Naukowe AMW